Важкі ферміони з'являються в шаруватому інтерметалічному кристалі – Physics World

Важкі ферміони з'являються в шаруватому інтерметалічному кристалі – Physics World

Мітка часу: 8 лютого 2024 7:00

Яскравий мультфільм, який демонструє взаємодію між електронами та магнітними обертаннями у вигляді моделі м’яча та стрілок
Важкі ферміони: у таких матеріалах, як CeSiI, взаємодія між електронами та магнітними спінами дає електронам важчу, ніж зазвичай, ефективну масу. Крім того, що це важкий ферміон, CeSiI є кристалом Ван-дер-Ваальса, який можна розділити на атомно-тонкі шари. (З дозволу: Ніколетта Бароліні, Колумбійський університет)

Електрони зазвичай є одними з найлегших фундаментальних частинок, але в так званих «важких ферміонних» матеріалах вони рухаються так, ніби вони в сотні разів масивніші. Ця незвичайна важкість виникає через сильну взаємодію між провідними електронами та локалізованими магнітними моментами в матеріалі, і вважається, що вона відіграє важливу роль у поведінці високотемпературних або «нетрадиційних» надпровідників.

Дослідники зі США, Швеції, Іспанії та Німеччини синтезували новий двовимірний важкий ферміонний матеріал із шаруватого інтерметалічного кристала, виготовленого з церію, кремнію та йоду (CeSiI). Новий матеріал може дати вченим нові можливості для вивчення взаємодій, які викликають погано зрозумілу поведінку, таку як нетрадиційна надпровідність і пов’язані з нею квантові явища.

«Як правило, ці важкі ферміонні матеріали являють собою інтерметалічні структури з сильним зв’язком у трьох вимірах, але вже деякий час відомо, що надання цих матеріалів більшої двовимірності може сприяти розвитку нетрадиційної надпровідності, яка з’являється в деяких важких ферміонних сполуках», – пояснює. Ксав'є Рой, хімік в Колумбійський університет у США, який керував новим дослідженням. «Ми ідентифікували важкі ферміони в багатошаровому матеріалі Ван-дер-Ваальса CeSiI, який містить міцний зв’язок у двох вимірах, але лише слабко утримується разом у третьому».

Електрони провідності сильно зв’язані з локальними магнітними моментами

Дослідники вирішили вивчити CeSiI, який вперше був синтезований у 1998 році, після пошуку в кристалографічних базах даних матеріалів, які могли б сприяти сильній взаємодії (відомій як взаємодії Кондо). Зокрема, вони мали на меті поєднати три ключові елементи: атоми церію, які забезпечують локальний магнітний момент; металева провідність, що забезпечує наявність носіїв заряду; і багатошарову структуру Ван-дер-Ваальса, яка дозволить їм відшаровувати (відшаровувати) тонкі шари матеріалу товщиною всього в кілька атомів. Потім ці окремі шари можна скручувати та натягувати або накладати на інші матеріали, щоб змінити властивості матеріалу.

Щоб зробити CeSiI, дослідники поєднали металевий церій, кремній і йодид церію та нагріли ансамбль до високої температури. Ця процедура, яку вони детально описують у природа, генерує гексагональні пластинки потрібного матеріалу. «Як ми й сподівалися, ми виявили, що електрони провідності сильно зв’язані з локальними магнітними моментами на атомах Ce, що призводить до підвищення ефективної маси та антиферомагнітного порядку при низькій температурі», — пояснює він. Вікторія Поузі, докторантка в лабораторії Роя який синтезував матеріал.

Вимірювання за допомогою скануючої тунельної мікроскопії, проведені в Лабораторія Абхая Пасупаті в Колумбійському університеті, дослідники виявили, що спектр матеріалу характерний для важких ферміонів. Вони підтвердили ці результати вимірюваннями фотоемісійної спектроскопії Брукхейвенська національна лабораторія, вимірювання транспорту електронів при Гарвардський університет і магнітні вимірювання на Національна лабораторія сильного магнітного поля у Флориді. Вони також працювали з групою теоретиків у Колумбії, Інститут Флетайрона, Інститут Макса Планка в Німеччині, Швеції Упсальський університет і дві установи в Сан-Себастьяні, Іспанія, щоб розробити теоретичну основу для пояснення своїх спостережень.

Член команди Майкл Зібель пояснює, що результат став можливим, частково, завдяки колективним зусиллям Columbia, Brookhaven та Flatiron Institute для розробки нових властивостей двовимірних матеріалів. «Однією з головних проблем, яку нам довелося подолати, була чутливість матеріалу до повітря, що означало, що нам довелося розробити нові способи обробки зразків у нашій лабораторії», — каже Зібель. «У ширшому плані встановити присутність самих важких ферміонів може бути досить складно – немає жодних вимірювань «димячої рушниці».

Тепер дослідники планують замінити різні атоми в центри церію, кремнію або йоду в CeSiI, щоб спробувати придушити його магнітний порядок і викликати нові електронні основні стани. Потім, відшаровуючи матеріал до різної товщини, вони прагнуть вивчити вплив розмірності на ці сполуки. «Паралельно ми застосовуємо методи, які ми використовували в цій роботі, щоб систематично змінювати властивості CeSiI на межі 2D, те, що, як ми сподіваємося, спричинить нові квантові явища, що виникають внаслідок поєднання сильних електронних взаємодій і низької розмірності», — говорить Рой.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики